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OLED Organic Light-Emitting Diodes

OLED Organic Light-Emitting Diodes. Docente: Mauro Mosca (www.dieet.unipa.it/tfl). A.A. 2013-14. Ricevimento: alla fine della lezione o per appuntamento. Università di Palermo – Facoltà di Ingegneria (DEIM). Materiali organici. Composti del carbonio (+ H, O, N, S o P)

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OLED Organic Light-Emitting Diodes

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Presentation Transcript

  1. OLEDOrganic Light-Emitting Diodes Docente: Mauro Mosca (www.dieet.unipa.it/tfl) A.A. 2013-14 Ricevimento: alla fine della lezione o per appuntamento Università di Palermo – Facoltà di Ingegneria (DEIM)

  2. Materiali organici • Composti del carbonio (+ H, O, N, S o P) • C + H = idrocarburi (acetilene, etilene, propilene) • Idrocarburi aromatici = formati da anelli di benzene • Molecole organiche più semplici: monomeri (basso peso molecolare) • Catena ripetuta di monomeri: polimeri (es: cellulosa, DNA, polistirolo, nylon…)

  3. Polimeri conduttori • E’ possibile drogare i polimeri (1977)! • Premio Nobel per la chimica 2000: Alan J. Heeger,  Alan G. MacDiarmide Hideki Shirakawa

  4. Forme ed energie degli orbitali della molecola H2:orbitali leganti ed antileganti conducibilità delocalizzazione elettronica orbitali molecolari s * s sovrapposizione orbitali s legame s

  5. Orbitali molecolari s e p se si sovrappongono orbitali p… s Ep< Es p

  6. Struttura elettronica della molecola di etene legami doppi C due orbitali 2p di un atomo si legano con il 2s dell’altro elettroni delocalizzati spazialmente tre orbitali ibridi sp2 (in un piano a 120° l’uno dall’altro) con gli atomi vicini: legami s pz si sovrappone all’altro pz e forma una coppia di orbitali molecolari p e il terzo orbitale atomico???

  7. Delocalizzazione degli elettroninella molecola del benzene polimeri coniugati scambiando un legame singolo con uno doppio, la struttura non risulta alterata

  8. Struttura del poliacetilene tutte le molecole organiche con struttura coniugata possiedono elettroni delocalizzati lungo la catena

  9. Bande di energia nei composti organici • La conducibilità dipende dal grado di delocalizzazione degli • elettroni (grado di sovrapposizione) • Gli elettroni possono muoversi facilmente all’interno della catena • polimerica • Gli elettroni si muovono con difficoltà tra catene polimeriche • adiacenti • Tra una catena e l’altra gli elettroni devono effettuare dei piccoli • salti (hopping) • Minore mobilità rispetto ai semiconduttori inorganici • La bandgap dipende dall’estensione dei legami coniugati di tipo p: • un’estensione maggiore causa il restringimento • della bandgap! • Orbitale p (legante): BANDA DI VALENZA • Orbitale p* (antilegante): BANDA DI CONDUZIONE HOMO: Highest Occupied Molecular Orbital LUMO: Lowest Unoccupied Molecular Orbital

  10. Bande di energia in un cristallo

  11. Materiali amorfi: densità degli stati e mobilità distribuzione di potenziale non periodica impurezze struttura reticolare disordinata stati localizzati o centri trappola all’interno della gap (shallow levels) Il disordine strutturale non altera il numero totale degli stati energetici ma porta alla loro ridistribuzione

  12. Livelli energetici dell’Alq3 0,15 eV piccole distorsioni molecolari

  13. Materiali a basso peso molecolare e polimeri sublimazione termica • Monomeri e oligomeri • Polimeri spinning o dipping più puri e più alta mobilità (0,001-10 cm2/Vs) possibile realizzare strutture multistrato degrado dovuto ai contatti e al film HTL

  14. Transizione vetrosa i polimeri hanno Tg più elevata degrado dovuto ai contatti e al film HTL (hole-transport layer)

  15. Deposizione di film organici: OMBE temperatura più alta di quella di sublimazione ma più bassa di quella di decomposizione chimica 0,01-10 nm/s

  16. Deposizione di film organici: metodo di Langmuir-Blodgett

  17. Deposizione di film organici: spinning

  18. Deposizione di film organici: spinning

  19. h Deposizione di film organici: dipping

  20. Deposizione di film organici:stampa a getto d’inchiostro minore efficienza rispetto allo spinning (problema del profilo dei punti) 65 mm

  21. Purificazione del materiale:gradient sublimation Il processo richiede almeno due cicli e parecchi giorni!! Ts

  22. Materiali emissivi: l’Alq3 famiglia dei chelati M(C9H6NO)n 8-chinolina • stabile • proprietà emissive • buon trasportatore di elettroni

  23. Struttura fisica dell’OLED ETL -EML HTL HTL: blocca gli elettroni e permette il trasporto delle lacune nell’Alq3: mn = 10-6 emp= 10-8 cm2/Vs ricombinazione vicino agli elettrodi (senza HTL) come?... dove avviene la ricombinazione?... DIVERSO DA GIUNZIONE P-N!!

  24. Iniezione e trasporto negli OLED:posizione livelli energetici CATODO ANODO

  25. Iniezione e trasporto negli OLED:iniezione e ricombinazione tunneling Al emissione termoionica

  26. Quale modello per la corrente? Fowler-Nordheim? non sono rette! dipendenza da T

  27. Quale modello per la corrente? Emissione termoionica? La corrente non è determinata dall’iniezione di cariche dagli elettrodi ma dalle proprietà di trasporto dei materiali organici

  28. Quale modello per la corrente? Modello TCL (trapped charge-limited) 0,15 eV

  29. Modello TCL (trapped charge-limited) I  Vm+1

  30. Il processo di emissione eccitone zona di ricombinazione

  31. Il processo di emissione q gli eccitoni diffondono verso il catodo per cui zona di ricombinazione e di emissione non coincidono

  32. Rilassamento di Franck-Condon dovuto ai piccoli cambiamenti geometrici che si manifestano in presenza di un eccitone quando un elettrone passa ad un livello più alto, poiché i nuclei sono più pesanti degli elettroni, la transizione elettronica si svolge più velocemente della risposta dei nuclei i nuclei iniziano a vibrare e oscillano rispetto ad una nuova distanza R1 di equilibrio, maggiore della loro distanza originaria R0

  33. Processi di ricombinazione I materiali organici usati per i LED sono isolanti (r~ 1015W cm) fattore di bilancio di carica (< 1) 1/4 Senza iniezione di carica non è presente alcun elettrone libero spin antiparalleli, momento angolare totale NULLO spin paralleli, momento angolare totale NON NULLO La ricombinazione avviene tramite coppie e-h legate tra loro tramite una forza elettrostatica (≠ ricombinazione banda-banda)

  34. Stati di singoletto e tripletto bande stati vibrazionali e rotazionali idem… materiali fosforescenti… poco probabile (deve variare lo spin) accoppiamento spin-orbita dipende dal meccanismo di conversione interna

  35. Momenti di spin dell’elettrone accoppiamento spin-orbita • - L’interazione dipende dalla • carica nucleare • Aumenta all’aumentare del • numero atomico • I materiali fosforescenti sono • organo-metallici complessi con • un centro metallico pesante interazione tra momenti magnetici //: m elevato

  36. Vantaggi degli OLED Elevata purezza cromatica Trasparenza Tempi brevi di risposta Alto grado di purezza Flessibilità meccanica Uniformità del film Ampio angolo di osservazione (emissione lambertiana) Basso costo dei materiali Discrete efficienze luminose Capacità di ottenere tutti i colori dello spettro

  37. Applicazioni degli OLED

  38. 1. Passive-Matrix OLED (PMOLED) • Perpendicular cathode/anode strip orientation • Light emitted at intersection (pixels) • External circuitry • Turns on/off pixels • Large power consumption • Used on 1-3 inch screens • Alphanumeric displays

  39. 2. Active-Matrix OLED (AMOLED) • Full layers of cathode, anode, organic molecules • Thin Film Transistor matrix (TFT) on top of anode • Internal circuitry to determine which pixels to turn on/off • Less power consumed then PMOLED • Used for larger displays

  40. 3. Transparent OLEDTOLED • Transparent substrate, cathode and anode • Bi-direction light emission • Passive or Active Matrix OLED • Useful for heads-up display • Transparent projector screen • glasses

  41. 4. Top-emitting OLEDTEOLED • Non-transparent or reflective substrate • Transparent Cathode • Used with Active Matrix Device • Smart card displays

  42. 5. Foldable OLED • Flexable metalic foil or plastic substrate • Lightweight and durable • Reduce display breaking • Clothing OLED

  43. 6. White OLED • Emits bright white light • Replace fluorescent lights • Reduce energy cost for lighting • True Color Qualities

  44. 6. White OLED Cellphone backlight white OLED vs standard LED from Organic Lighting Technologies LLC

  45. OLED Advantages over LED and LCD • Thinner, lighter and more flexible • Plastic substrates rather then glass • High resolution (<5mm pixel size) and fast switching • Do not require backlight, light generated • Low voltage, low power and emissive source • Robust Design (Plastic Substrate) • Larger sized displays • Brighter- good daylight visibility • Larger viewing angles -170°

  46. OLED Display Disadvantages • Lifetime • White, Red, Green  46,000-230,000 hours • About 5-25 years • Blue  14,000 hours • About 1.6 years • Expensive • Susceptible to water • Overcome multi-billion dollar LCD market

  47. Dispositivi commerciali Kodak LS633 EasyShare with OLED display The Sony 11-inch XEL-1 OLED TV • Samsung Roadmap • 2009 - 14,15, and 21 inch OLED panel • 2010 - 40 to 42 inch full HD OLED panel • Toshiba Roadmap • 2009 – 30 inch Full HD panel

  48. Dispositivi commerciali A 2'x2' white light prototype by GE World’s First OLED Lamp

  49. http://www.oled-info.com/buy-oled

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